Электротехника и электроника: лабораторный практикум

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 
И ЭЛЕКТРОНИКА
ЛАБОРАТОРНЫЙ 
ПРАКТИКУМ

А.Е. ПОЛЯКОВ
М.С. ИВАНОВ
Е.А. РЫЖКОВА
Е.М. ФИЛИМОНОВА

Под редакцией профессора А.Е. Полякова

Рекомендовано 
Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве 
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по техническим направлениям подготовки 
(квалификация (степень) «бакалавр») 
(протокол № 6 от 16.06.2021)

Москва
ИНФРА-М
2022

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 621.3(075.8)
ББК 31.2я73
 
П54
А в т о р ы:
А.Е. Поляков, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры автоматики и промышленной электроники Российского государственного университета имени 
А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство) (гл. 1, 3, 6);
М.С. Иванов, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматики и промышленной электроники Российского государственного университета имени А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство) (гл. 2, 6);
Е.А. Рыжкова, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры автоматики и промышленной электроники Российского государственного университета имени А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство) (гл. 7);
Е.М. Филимонова, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматики и промышленной электроники Российского государственного университета имени А.Н. Косыгина 
(Технологии. Дизайн. Искусство) (гл. 4, 5, 7) 
Р е ц е н з е н т ы:
П.А. Севостьянов, доктор технических наук, профессор кафедры автоматизированных 
систем обработки информации и управления Российского государственного университета имени А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство), заслуженный деятель науки 
Российской Федерации;
М.В. Немцов, доктор технических наук, профессор кафедры электротехники Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»

ISBN 978-5-16-016678-0 (print)
ISBN 978-5-16-109258-3 (online)

©  Поляков А.Е., Иванов М.С., 
Р ыжкова Е.А., Филимонова Е.М., 
2021

Поляков А.Е.
П54 
 
Электротехника и электроника: лабораторный практикум : учебное пособие / А.Е. Поляков, М.С. Иванов, Е.А. Рыжкова, Е.М. Филимонова ; под ред. 
проф. А.Е. Полякова. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 378 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/1214583.
ISBN 978-5-16-016678-0 (print)
ISBN 978-5-16-109258-3 (online)
В учебном пособии представлены основные теоретические положения, оценочные средства, лабораторные работы и домашние задания по курсам электротехнического цикла. Предназначено для самостоятельного изучения основных 
разделов теоретической электротехники.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Для бакалавров и магистрантов, обучающихся по направлениям подготовки 15.03/04.04 «Автоматизация технологических процессов и производств», 
27.03/04.04 «Управление в технических системах», 13.03.01 «Теплоэнергетика 
и теплотехника», 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», 09.03.01 
«Информатика и вычислительная техника», 09.03.02 «Информационные системы 
и технологии», 29.03.01 «Технология изделий легкой промышленности», 29.03.02 
«Технологии и проектирование текстильных изделий», 29.03.04 «Технология 
художественной обработки материалов», 27.03.01 «Стандартизация и метрология», 18.03.01 «Химическая технология», 20.03.01 «Техносферная безопасность», 
15.03.06 «Мехатроника и робототехника» всех форм обучения, изучающих дисциплины «Электротехника», «Электротехника и основы электроники», «Электротехника и промышленная электроника», «Электротехника, основы электроники 
и автоматики». Теоретические положения, научно-практические и методические 
рекомендации могут быть полезны при изучении дисциплин магистерской программы «Электротехнические комплексы и системы. Энергосбережение».
УДК 621.3(075.8)
ББК 31.2я73

Введение

В современных условиях инженер любого профиля не может активно содействовать совершенствованию и модернизации технологических процессов без достаточно глубоких знаний основ электротехники и промышленной электроники. В связи с этим учебными 
планами в ФГБОУ ВО РГУ им. А.Н. Косыгина предусмотрен курс 
электротехники и электроники, при изучении которого выполнение 
домашних заданий, лабораторных работ и тестирование базовых 
знаний способствует более глубокому усвоению основных теоретических положений изучаемого материала.
В процессе выполнения лабораторных работ создаются определенные условия для получения студентами необходимых практических навыков при использовании измерительных приборов 
и электротехнических устройств.
В учебном пособии изложены методические рекомендации, необходимые для подготовки и проведения практических занятий 
по исследованию цепей постоянного тока, однофазного, трехфазного переменного тока, переходных процессов и машин постоянного и переменного тока.
При выполнении домашних заданий студенты получают необходимые знания по основным разделам теоретической электротехники.
В фонде оценочных средств для проведения промежуточной аттестации приведены задачи по основным разделам курса. Задания 
классифицируются по уровням сложности и распределены по изучаемым темам.
Приведены примеры оценочных средств для входного контроля 
и текущей успеваемости.
Каждая глава содержит краткие теоретические сведения по электротехнике и электронике, а также подробные решения вариантов 
тестовых заданий, в том числе с использованием компьютерной 
техники.

Глава 1. 
ПРЕДМЕТ ДИСЦИПЛИНЫ «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 
И ЭЛЕКТРОНИКА». ЦЕЛЬ ДИСЦИПЛИНЫ 
И РЕШАЕМЫЕ ЗАДАЧИ

Электротехника и электроника — дисциплина, объединяющая знания о двух взаимосвязанных отраслях науки и техники: 
электротехники и электроники. Объединение двух дисциплин позволяет, во-первых, глубже понять их взаимосвязь и более грамотно 
использовать изучаемые в электротехнике физические основы 
электромагнитных явлений и методы расчета электрических цепей 
при анализе и синтезе схем электроники, в которых используются 
как линейные, так и нелинейные электронные приборы, компоненты; во-вторых, ориентировать даваемый в рамках электротехники материал на конкретное применение в решении тех задач, 
которые ставятся в рамках электроники.
Электротехника — отрасль науки и техники, связанная с получением, преобразованием и использованием электрической энергии 
в практической деятельности человека, охватывающая вопросы 
применения электромагнитных явлений в различных отраслях промышленности и в быту.
Электроника — отрасль науки и техники, связанная с созданием и описанием физических принципов работы новых электронных приборов и устройств или электронных схем на их основе.
Цель дисциплины — изучение:
 
• основных законов и методов расчета линейных электрических 
и магнитных цепей;
 
• методов анализа и синтеза линейных и нелинейных электрических цепей;
 
• принципов функционирования трансформаторов, электрических машин постоянного и переменного тока;
 
• организации сетевого питания;
 
• методов измерения и наблюдения электрических сигналов;
 
• принципов работы основных полупроводниковых приборов 
и базовых схем электроники, созданных на их основе;
 
• элементной базы современных компьютеров и других электронных устройств;
 
• принципов организации линейных усилителей электрических 
сигналов, в том числе операционных усилителей, и изучение 
областей их возможного применения;

• принципов построения источников питания современных электронных устройств;
 
• программных средств моделирования электрических цепей 
и схем.
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать
 
• основные законы и методы расчета линейных электрических 
цепей;
 
• способы упрощенного расчета нелинейных цепей;
 
• способы анализа и синтеза простых электронных схем;
 
• принципы работы и сравнительные свойства современных 
элемен тов электронных вычислительных машин (ЭВМ)1;
 
• принципы работы основных полупроводниковых приборов 
и способы их применения для решения технических задач;
 
• проблемы передачи информации и их решения;
 
• принципы работы источников вторичного электропитания;
уметь
 
• пользоваться осциллографом и другой измерительной аппаратурой;
 
• моделировать электронные схемы на ЭВМ и объяснять результаты моделирования;
 
• пользоваться справочной литературой по микросхемам и другим 
компонентам схем;
 
• выбирать при проектировании элементную базу с учетом решаемых задач;
 
• находить простейшие неисправности в разработанных схемах 
и устранять их;
 
• выполнять синтез простейших схем, содержащих полупроводниковые компоненты, и уметь рассчитывать данные схемы.
Для глубокого изучения материала необходимо постоянно поддерживать теоретические знания решением практических задач 
и выполнением лабораторных работ с применением специальных 
лабораторных стендов и программы моделирования аналоговых 
и цифровых схем Electronics Workbench. С более подробным изложением теоретического материала можно ознакомиться в библиографическом списке в конце учебного пособия.

1  
В настоящее время большее применение находит термин «персональный 
компьютер» (ПК) или просто «компьютер». Но под термином «ЭВМ» могут 
пониматься не только цифровые вычислительные машины, к классу которых 
относятся персональные компьютеры, но и аналоговые, а также аналогоцифровые вычислительные устройства или машины, элементы которых (например, операционные усилители) изучаются в рамках данной дисциплины.

Глава 2. 
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА. 
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Электрическая цепь — это совокупность взаимосвязанных 
элемен тов, компонентов или устройств, предназначенная для прохождения в них электрического тока, процессы в которой могут 
быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе 
(ЭДС), электрическом токе и электрическом напряжении.
Электрический ток (i или I) — направленное движение носителей электрического заряда (в качестве которых часто выступают 
электроны). Различают три разновидности тока: ток проводимости, ток смещения, ток переноса. Ток проводимости обусловлен 
направленным упорядоченным движением свободных носителей 
заряда (например, электронов) под действием электрического поля 
внутри проводника. Ток смещения, или ток поляризации, наблюдается в диэлектрике и обусловлен смещением друг относительно 
друга под действием электрического поля связанных, противоположных по знаку зарядов. Под действием постоянного внешнего 
электрического поля наблюдается кратковременный ток смещения. 
Но при переменном поле ток смещения приходится учитывать. Ток 
переноса, или ток конвекции, обусловлен переносом электрических 
зарядов в свободном пространстве заряженными частицами или телами под действием электрического поля.
Электрическое напряжение (u или U) — разность электрических потенциалов между выделенными точками, или величина 
работы, которую совершит электрическое поле по переносу единичного положительного заряда из одной точки в другую.
Электрический потенциал численно равен работе поля по переносу единичного положительного заряда из данной точки пространства в бесконечно удаленную, потенциал которой принимается за нулевой. Поскольку в электрической цепи потенциал одной 
из точек принимается равным нулю, представляют интерес обыч но 
электрические напряжения, а не потенциалы.

 
1 В = 1 Дж/1 Кулон.

Источник ЭДС — источник напряжения в электрической цепи, 
величина которого мало зависит от выбранной в разумных пределах нагрузки, источник электрической энергии, использующий 

для формирования внешнего напряжения сторонние, не электрические силы. Примером могут служить гальванический элемент, 
осуществляющий преобразование химической энергии в электрическую, и генератор, осуществляющий преобразование механической энергии в электрическую.
Электрическая схема — способ изображения электрической 
цепи на плоскости с использованием условных графических обозначений компонентов или элемен тов электрической цепи. Под 
схемой часто понимают физическую реализацию электрической 
цепи.
Компонент — минимальная функцио нально законченная составная часть цепи или схемы. К компонентам относят источники 
питания, электродвигатели, резисторы, конденсаторы, катушки 
индуктивности. Понятие «компонент» в данном контексте будем 
использовать вместо понятия «элемент», которое в настоящее 
время оказалось определением как для резисторов, конденсаторов 
и других составляющих электрических цепей, так и для частей 
ЭВМ.
Элемент — наименьшая функцио нально и конструктивно законченная часть ЭВМ, выполняющая функцию преобразования 
или усиления сигнала.
Сигнал — физический процесс, несущий информацию или представляющий интерес.
Электрический сигнал — сигнал в виде электрического напряжения или тока. Различают аналоговый и цифровой (дискретный) 
сигналы.
Аналоговый сигнал может принимать любое произвольное 
значение напряжения или тока в заданном допустимом диапазоне от минимального значения до максимального. С аналоговыми сигналами работают аналоговые вычислительные машины 
и устройства; аналоговый сигнал формируется часто и на выходах 
датчиков информации.
Датчик — преобразователь представляющего интерес и несущего информацию физического процесса в электрический сигнал. 
Примером датчика может служить термопара (сплав двух разнородных материалов), формирующая на выходе напряжение, 
пропорцио нальное температуре. Датчики Холла осуществляют 
преобразование величины магнитной индукции внешнего магнитного поля в ЭДС, т.е. в аналоговый сигнал, терморезисторы — преобразование температуры окружающей среды в сопротивление, 
тензорезисторы — преобразование механического давления в сопротивление.

Цифровой сигнал — сигнал, представленный в виде последовательности дискретных (цифровых) значений различных уровней 
напряжения. Для представления двоичной информации, в которой 
лишь два значения (логический ноль и логическая единица), существуют следующие способы: потенциальный, импульсный и импульсно-потенциальный.
При потенциальном способе логические состояния 0 и 1 
определяются двумя разными уровнями напряжения. Например, 
для элемен тов транзисторно-транзисторной логики справедливо:
 
• логическая единица — U1 ≥ 2,4 В;
 
• логический нуль — U0 ≤ 0,4 В.
При импульсном способе двоичной информации логической 
единице соответствует наличие на выходе элемента импульса 
или серии импульсов, а при нуле — отсутствие импульсов.
Импульс — электрический сигнал, для которого характерным 
является быстрое изменение уровня напряжения или тока и который обыч но стремится к установлению одного из двух возможных предельных значений напряжения или тока.
При импульсно-потенциальном представлении информации 
используются одновременно оба предложенных выше метода.
Логический элемент — наименьшая функцио нально и конструктивно законченная часть ЭВМ, выполняющая какую-либо логическую функцию. Среди основных логических функций обыч но 
выделяют дизъюнкцию, конъюнкцию и отрицание.
Дизъюнкция — такая функция (y) двоичных переменных (x1, x2, 
…), которая равна единице, когда хотя бы одна входная переменная 
равна единице.
Функцию при двух переменных записывают следующим 
образом:

 
y = x1 ∨ x2.

Дизъюнкция реализуется с помощью дизъюнктора или элемента 
типа N ИЛИ, где N — число входов у дизъюнктора. При двух входах 
имеем дело с элементом 2ИЛИ (рис. 2.1, а). Допускается вместо 
символа ≥1 использовать символ 1 в условном обозначении дизъюнктора.
Конъюнкция — такая функция (y) двоичных переменных (x1, 
x2, …), которая равна единице, если все входные переменные равны 
единице. Функцию при двух переменных записывают следующим 
образом:

 
y = x1&x2 или y = x1·x2.

≥1
1
&
x1

x2
x2

x1
x

а
б
в

y
y
y

Рис. 2.1. Условное обозначение 2ИЛИ

Конъюнкция реализуется с помощью конъюнктора или элемента типа NИ, где N — число входов у конъюнктора. При двух 
входах имеем дело с элементом 2И (рис. 2.1, б).
Отрицание — такая функция (y) двоичной переменной (x), которая равна единице, если входная переменная равна нулю, и наоборот. Функция записывается выражением

 
y = x.

Отрицание реализуется с помощью инвертора, или элемента 
НЕ (рис. 2.1, в). Символом отрицания в условном обозначении является кружочек на линии сигнала.
Магнитной цепью называют совокупность устройств, содержащих ферромагнитные тела и образующих замкнутую цепь, в которой при наличии магнитодвижущей силы образуется магнитный 
поток и вдоль которой замыкаются линии магнитной индукции.
Магнитодвижущая сила — характеристика способности источников магнитного поля (электрических токов) создавать магнитные 
потоки.

2.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ И СПОСОБЫ 
ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ, ИЗМЕРЕНИЯ И НАБЛЮДЕНИЯ. 
ПРОБЛЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ 
И ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕН ТОВ И СХЕМ

Свойства электрических схем, элемен тов ЭВМ, устройств характеризуют различными функциями (характеристиками) и параметрами.
Характеристика, или функция, определяет зависимость одной 
величины, представляющей интерес для определения свойств элемента, от другой. Например, зависимость выходного напряжения 
усилителя от входного или зависимость задержки логического элемента от емкости нагрузки.

Параметр — числовое значение некоторой величины, представляющей интерес для описания свойств элемента. Например, напряжение логической единицы или нуля на выходе элемента или задержка сигнала в логическом элементе.
Характеристики и параметры могут определять свойства как 
в статике (статические функции и параметры), так и в динамике 
(динамические функции и параметры).
Статические характеристики и параметры не предполагают зависимость от времени, и при их измерении скорости изменения сигналов должны быть невелики. Для описания статических свойств 
элемен тов и схем часто используют входную, передаточную и выходную характеристики.
Входная характеристика — зависимость входного тока 
от входного напряжения. Для измерения этой характеристики 
достаточно использовать вольтметр, миллиамперметр и потенциометр (рис. 2.2). Меняя входное напряжение с некоторым шагом 
с помощью потенциометра R1, легко определить требуемую зависимость. В предложенной схеме измеряется входная характеристика 
инвертора.
Входная характеристика позволяет определить максимальный 
входной ток элемента при нуле I0
max и при единице I1
max на входе.

E1
R1
A

V

1
DD1

Рис. 2.2. Схема для измерения входной характеристики:
A — амперметр; V — вольтметр; Е 1 — источник ЭДС; R1 — сопротивление; 
DD1 — сигнал, формируемый на выходе логического элемента

Передаточная характеристика — зависимость выходного напряжения от входного. Возможная схема измерения передаточной 
характеристики показана на рис. 2.3, а. На рис. 2.3, б приведен результат измерения характеристики инвертора.
На передаточной характеристике определяют пороговое напряжение Uп, которое может считаться границей между уровнем логического нуля на входе и уровнем логической единицы (предложенное определение порогового напряжения самое простое). Если 
входное напряжение ниже порогового, то считается, что на входе 
присутствует уровень логического нуля, если входное напряжение